随机节理岩体巷道再生顶板失稳机理与控制研究

为研究随机节理岩体巷道再生顶板失稳机理及控制方法,基于龙口某矿油页岩上分层巷道节理参数统计结果,结合蒙特卡罗模拟方法,采用UDEC软件内置FISH语言编写了随机节理模拟程序,建立了随机节理岩体巷道数值模型,对随机节理岩体巷道再生顶板的失稳破坏过程及支护方式进行了模拟,并通过工程应用对数值模拟进行了验证。结果表明:再生顶板巷道开挖后预留护顶中小的易冒块体首先沿节理面滑落,之后关键块体在上部破碎岩块压力作用下沿节理面滑动下沉,当关键块体一端滑离巷帮节理面时,关键块体失稳,发生冒顶;再生顶板下预留护顶掘进巷道合理支护方式为锚索-架棚联合支护,可有效控制巷道顶板变形并防止顶板破碎块体冒落。     

复合顶板巷道支护技术研究

山西煤销集团同富新煤业10~#煤层顶板因存在若干层软弱夹层而形成复合顶板,首采面顺槽掘进时顶板多处冒落,巷道维护困难。以该矿顶板弱面及顶板离层稳定性控制为研究对象,利用技术勘查手段,针对原巷道支护和顶板冒落情况,分析了巷道复合顶板稳定性的影响因素、离层失稳原因、失稳破坏形态及破坏过程;研究了顶板下沉位移、岩层变形破坏临界应力及跨厚比对复合顶板煤巷稳定性的影响;根据顶板、煤帮锚杆支护作用机理,进行了复合顶板煤巷锚杆支护专项方案设计。工程实践表明,该方案支护效果和经济效益较好,顶板得到有效控制;解决了巷道顶板内软弱夹层导致巷道顶板离层失稳控制的技术难题。     

复合顶板大跨度煤巷围岩稳定性及其控制技术研究

以李村煤矿1302工作面运输巷为基础,采用计算机数值模拟分析复合顶板条件大跨度煤巷围岩稳定性,重点研究巷道跨度增大对围岩稳定性的劣化作用。复合顶板条件大断面煤巷的变形失稳以顶板整体下沉和强烈底臌为主;复合顶板煤巷的跨度对巷道围岩稳定性劣化具有明显促进作用,当巷道跨度大于5 m时,顶板围岩内拉伸破坏深度达到3 m以上,拉伸破坏面积大于5 m2以上;提出了高强度、高预紧力、高稳定性的支护技术核心,为以后类似条件巷道支护设计提供参考。     

大断面煤巷软厚顶板失稳机理与支护控制技术

针对311102工作面大断面煤巷软厚顶板突发性冒落失稳的问题,结合现场调研,理论分析等方法,分析顶板失稳机理,确定311102工作面辅助运输巷变形力学机制为ICIIBDIIIBC,其软厚顶板和高围岩应力是巷道失稳的主要原因,另一主要原因是较大的巷道跨度造成巷道中部顶板承受了较大的拉应力。针对该种复合型变形力学机制,提出了采用锚网索带支护方式来进行巷道围岩控制。基于数值模拟,证明了锚网索带支护方式对控制围岩变形与塑性区扩展的较好效果。提出311102工作面辅助运输巷补强支护措施,取得了良好的支护效果,保证了安全生产。     

煤岩倾角对回采巷道顶板稳定性影响机理研究

为了解决倾斜煤层回采巷道顶板围岩稳定性控制问题,采用摩尔-库伦岩石强度准则,建立了走向倾斜和倾向倾斜巷道顶板力学模型,对两类倾斜巷道顶板失稳机理进行深入分析,得出了倾斜巷道顶板非对称冒落分布规律,结果显示倾斜巷道上端部更容易冒落且冒落高度更大,进而计算得到了顶板上、下端部冒落角,确定了回采巷道顶板支护控制范围,为庞庞塔倾斜煤层巷道工程实践提供了有益的理论指导,根据重点部位重点控制的原则调整优化了巷道顶板及上帮支护参数,取得了较好的技术效果。     

深部倾斜煤层沿空掘巷上覆结构稳定与控制研究

采用理论分析方法,建立了深部倾斜煤层沿空掘巷上覆结构力学模型,分析了回采期间上覆关键块体稳定性与煤层埋深、倾角间的关系,发现沿空掘巷回采期间关键块体主要以发生转动失稳为主,控制关键块体转动失稳是维护巷道整体稳定的前提条件;并通过巷内支护阻力对关键块体转动失稳系数作用规律分析,得知关键块体转动失稳系数对窄煤柱与顶板承载能力的敏感性远大于实煤体帮,提高二者承载能力可有效抑制关键块体转动下沉。基于高强锚杆支护体系,提出以顶板高阻让压支护和倾斜穿层锚索加固窄煤柱为核心的深部倾斜煤层沿空掘巷非对称耦合控制技术,采用系统信息设计方法确定了试验巷道锚杆支护参数,成功地应用于工程实践。     

煤巷层状顶板锚固体失稳模式相似模拟分析

采用理论分析、相似模拟实验综合研究的方法对煤巷层状顶板锚固体的失稳情况进行了深入研究,借助于相似模拟对围岩应力、顶板岩性、煤层倾角、巷道尺寸等不同的组合方案进行实验。在平面应变情况下,研究不同的影响因素组合下煤巷层状顶板的变形情况。研究结果表明,巷道顶板在加载载荷的作用下,开始都承受较大的压应力,并且随着载荷的增加压应力随之变大。倾斜岩层巷道的顶板变形冒落时,顶板呈现非对称下沉的特征,加载载荷增大时,顶板裂隙发育,然后贯通,最终导致顶板破断冒落。     

斜顶软煤回采巷道围岩再造承载层控制机理研究

基于对倾斜煤层回采巷道断面形状、布置方式及失稳机制分析,进行了斜顶巷道基本支护力学计算,建立了斜顶巷道围岩再造承载层力学模型,确定了斜顶巷道再造承载层围岩稳定性影响因素,提出了斜顶巷道围岩再造承载层控制原则与控制技术,最后进行了数值模拟与现场试验。结果表明:倾斜煤层沿顶回采巷道顶煤体积减小,岩层顶板裸露,表层压力减小,但拱脚局部压力增大与松软煤体承载力降低易导致围岩失稳;斜顶巷道失稳分为两帮挤压流动失稳和顶板压缩错动失稳2种形式,两帮再造承载层位置越高、深度越长及顶板倾角越大,巷道围岩越稳定;斜顶巷道围岩再造承载层控制原则为基本支护控制浅部围岩、特殊锚杆锚固软弱煤体与再造承载层体强化的三体协同,采用设计三体协同支护方案后,顶板及两帮变形量受控,支护效果显著。     

含有软泥入侵的多溶洞型顶板巷道稳定控制研究

针对有软弱黄泥入侵的多溶洞型复杂顶板,受多溶洞影响,顶板受压时会出现多处无规律的应力集中,易使围岩松动破裂、滑移冒落,承载能力大幅降低。本研究以永聚煤业10#煤轨道大巷为实例,通过实验测定煤、岩样的物理力学参数;采用FLAC3D模拟不同断面形状和支护方式对巷道稳定性的影响,包括巷道围岩塑性区分布规律和围岩应力分布、变形等特征;工程应用与监测,对比不同断面形状与支护方式时巷道围岩稳定性。结果表明：拱形巷道断面及合理的支护方式可改善巷道围岩的应力状态,较好地控制了围岩塑性区破坏范围,有效降低了围岩的变形量,能够更好地维护岩溶入侵溶洞型顶板巷道的稳定性。     

人工再生顶板大跨度切眼联合支护技术

在人工再生顶板大跨度切眼支护中,由于巷道地质条件复杂,矿压显现严重,且随着地压和巷道 断面的增大,存在一般锚网索支护难以克服的困难。根据人工再生顶板巷道的地质特点及矿压显 现特征,在大断面人工再生顶板条件下采用“木架棚+锚索”联合支护。此种支护结合主动支护 和被动支护的优点,减少顶板离层冒落,实现了对大断面切眼的有效控制,防止了切眼强烈变形 、断裂,保持了切眼的稳定性,达到了良好的支护效果,为人工再生顶板下的煤炭开采提供了可 靠的安全保证。在充填开采下,采用钢梁和单体液压支柱不便于回收,而木材价格低廉,减少了 支护材料的丢失浪费,取得了显著的经济效益。“木架棚+锚索”联合支护技术对于充填开采大 跨度巷道具有借鉴作用。     

深部巷道顶板软弱夹层对围岩稳定性的影响研究

为了研究深埋巷道顶板软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响，采用理论分析和数值模拟的方法，对巷道顶板软弱夹层厚度、位置和数量进行系统性研究。研究结果表明：(1)将顶板简化为弹性体和西原模型构成的组合系统，可以较好地描述顶板软弱夹层变形，当软弱夹层受力大于其屈服应力时，顶板失稳；(2)顶板软弱夹层对顶板具有一定的应力弱化作用，且在软弱夹层位置存在明显的应力跳跃现象，随着夹层数量的增加，底板应力集中程度略微增加；(3)距离顶板较近的软弱夹层对巷道围岩变形量影响较大，且在软弱夹层位置存在变形突变，巷道顶板易发生离层。结合数值模拟结果，当巷道顶板存在软弱夹层时，应及时采取支护措施，防止软弱夹层超过屈服应力导致巷道失稳冒落。     

再生顶板结构及巷道注-锚支护研究

为提高巷道再生顶板锚杆支护效果,通过理论计算得到再生顶板冒落带与裂隙带高度以及冒落带以上各岩层断裂步距;通过现场观测及钻孔窥视得出再生顶板不规则冒落带岩块压实胶结特征,从而建立再生顶板结构模型;基于该结构模型,采用UDEC软件模拟再生顶板下巷道掘进后锚杆支护和先注浆后锚杆支护巷道顶板的变形、应力、塑性区分布及锚杆轴力变化。结果表明:仅采用锚杆支护时巷道顶板控制效果较差;注浆后浆液最大扩散范围为8 m、边缘浆液压力为中心的20%,浆液将松散岩块黏聚为高强度的承载结构,与不注浆锚杆支护相比,锚杆锚入此结构后锚固体强度提高20%~50%,岩块挤压力提高40%~110%,顶板下沉量减小36%,有效控制了再生顶板的变形破坏,工程试验效果良好。     

大断面巷道顶板失稳机理分析及防治

以万利一矿3-1煤3盘区胶运大巷顶板冒落控制为背景,详细分析了顶板失稳冒落的主要原因,以支护理论为基础,通过优化支护设计,来控制巷道顶板围岩的稳定性,并在实践中取得了很好的效果。     

多软弱夹层的巷道顶板稳定特性及支护设计

建立了多层软弱夹层条件下巷道坚硬层状复合顶板的力学模型,分析了其结构特征、离层破坏机理及判据,基于关键层理论、组合梁理论和悬吊理论的基本原理提出了巷道顶板锚固支护参数的计算方法。研究表明:含多个软弱夹层的坚硬复合顶板由于顶板岩层的离层导致顶板刚度降低从而致使顶板下沉、破裂、冒落;顶板岩层的离层状况主要由各层的弯曲挠度的差异性所决定;通过锚杆形成的顶板组合梁需要具备足够的组合强度,否则很容易和老顶发生离层并造成岩梁两端发生弯曲断裂或剪切破坏而形成简支梁结构,最终使岩梁失稳冒落;合理的顶板锚固参数尤其是预紧力设计对于控制巷道顶板岩层的失稳作用明显。     

基于双承载拱的巷道再生顶板控制机理

为实现对巷道再生顶板的有效控制,基于再生顶板现场观测和"三带"高度的理论计算,建立巷道再生顶板修正普氏拱力学模型和数值模型,推导了修正普氏拱的曲线方程及矢高的表达式,模拟分析了再生顶板下巷道断面的优势形状及锚喷支护效果,并对现场锚喷支护巷道进行了顶底板移近量观测。结果表明:无留顶掘巷后若短期内无支护,再生顶板下沉后出现第一承载拱,即修正普氏拱,拱的矢高b是岩石坚固性系数f和侧向压力p的减函数,是巷道半跨度a的增函数;再生顶板下留顶掘巷的断面形状宜为直墙圆拱,锚喷支护与巷道拱顶组合形成第二承载拱,"双拱"结构有效控制了再生顶板的变形破坏,具有让抗结合、协调变形的控制机制;现场试验后巷道顶板收敛变形较小,可满足正常生产需要。     

非均匀应力影响下巷道顶板破坏特征研究

针对红庆梁煤矿回风大巷掘进过程中受非均匀应力影响,顶板出现台阶下沉和局部冒落等问题,借助地质雷达探测了巷道围岩松动圈的范围,利用离散元软件模拟巷道侧压变化,研究了非均匀应力对巷道围岩应力和变形破坏特征的影响,并提出了相应围岩条件的巷道支护对策。研究结果表明:受地应力非均匀分布影响,回风大巷围岩破坏范围不对称,顶板、南帮和北帮松动圈范围分别为1.7、2.0、1.2 m,稳定性随松动圈范围增大而降低;在断层作用下,顶板两侧呈现非均匀沉降,靠近非均匀应力一侧垂直位移和应力峰值明显增加,破坏深度和平均宽度分别增加了150%和117%;且顶板失稳冒落的时间提前,冒落范围扩大,变形破坏持续时间增加。     

王家岭煤矿辅助运输巷失稳原因分析与治理技术

厚煤层开采时回采巷道很多都布置在煤层之中,在进行双巷掘进布置工作面时,辅助运输巷受工作面明显采动影响,由于煤巷顶板整体稳定性不强,易于出现巷道失稳现象。王家岭煤矿首采面辅助运输巷由于受到采动影响发生局部冒落失稳,在分析此类回采巷道失稳特征及影响因素的基础上,得出导致巷道冒顶的主要因素,并进一步有针对性的提出相应的处理方案,并给出相应的预防措施,尽量避免此类冒顶的发生。     

基于尖点突变理论的大跨度巷道顶板稳定性分析

基于尖点突变理论并结合巷顶板组合梁力学模型,建立了大跨度巷道顶板系统的失稳判据。顶板失稳判据表明:巷顶板失稳的临界状态取决巷道宽度、巷顶板垂直应力及水平应力的组合。当顶板侧压大于5MPa时,随巷宽的增大,引起顶板失稳的顶压由大变小;当侧压小于5MPa时,不论巷宽如何,顶板在失稳时所能承受的顶压基本相同。对于跨度大于5m的巷道,随着侧压的增大,能引起顶板失稳的顶压先增大后减小。在顶压一定的情况下,大跨度巷道顶板在侧压较小或较大时都可能失稳。     

再生顶板中弱胶结岩梁破坏机理的数值模拟

为研究复采时再生顶板结构中弱胶结岩梁的破坏机理,以复采再生顶板结构模型为基础,采用离散元数值软件3DEC构建了弱胶结岩梁的数值模型,模拟分析了再生顶板弱胶结压实带内岩梁的失稳过程。结果表明:弱胶结岩梁失稳前一般先形成块体三铰拱结构,随着块体三铰拱铰点处塑性变形的增大,三铰拱稳定性逐渐降低,岩块胶结面出现开裂、滑移,从而导致整层岩梁的失稳垮落;组成岩梁的岩块跨距越小,顶板稳定性越低;岩梁悬露的岩块数量大于2且为偶数时,节理面只在3个铰点处发生开裂,两边界铰点呈"V"字形,而中间铰点呈"倒V"形。     

大断面厚层复合顶板煤巷帮顶协同支护技术

为解决陈四楼煤矿2513胶带顺槽大断面厚层复合顶板煤巷支护困难的问题,分析了巷道的围岩稳定性,得出了顶板运移过程可分为层间滑移、挠曲离层、失稳冒落3个阶段,而帮部稳定性的决定因素为极限应力平衡区的宽度。根据围岩情况,采用了以顶板锚杆索阶梯式支护技术和帮部走向锚索梁支护技术为核心的协同控制技术。观测表明:顶板最大下沉量为73 mm,两帮最大移近量为147 mm,2 m基点离层量为19 mm,6 m基点离层值为33 mm,有效控制了巷道围岩,巷道维护满足生产需要。